南洋理工大學Adv Mater綜述：3D打印各向異性聚合物材料及其功能化應用

來源：高分子科技

自然界中存在許多各向異性結(jié)構(gòu)，例如牙釉質(zhì)中高度礦化取向的膠原纖維,、木材中沿生長方向取向的木質(zhì)纖維等,。通過對這種各向異性結(jié)構(gòu)的仿生構(gòu)筑，人們可以獲得具有特殊力學,、電學,、熱學、光學及潤濕性能的功能材料,，這類在航天航空、智能傳感和組織工程等領域具有廣泛的應用前景,。3D打印,，又稱增材制造，因其具有材料組分的可控調(diào)節(jié)以及復雜結(jié)構(gòu)的精確制造等特點,，使其在設計及制造各向異性功能材料上具有顯著的優(yōu)勢,。本論文綜述了近年來3D打印各向異性聚合物材料及其功能化應用的最新研究進展，主要包括材料擠出（ME）,、立體光固化（VP）,、粉末床熔融（PBF）、薄材疊層（SL）等技術(shù)子類,，并結(jié)合材料類型,、功能設計、潛在應用,、當前挑戰(zhàn)以及未來展望等方面進行論述（圖1）,。

圖1. 各向異性聚合物功能材料3D打印技術(shù)、實施手段和功能化應用概述

在評述各項打印技術(shù)的基礎上,，作者分別歸納總結(jié)出目前三類各向異性調(diào)控的實施手段,，包括定向排列、多材料打印以及梯度結(jié)構(gòu)和梯度材料打印,。定向排列主要指聚合物大分子鏈,、具有一定長徑比的顆粒、短纖維以及連續(xù)纖維等在打印加工過程中（剪切力,、空間受限和逐層沉積）或受外場作用下（電,、磁、聲場等）取向,。多材料打印可以通過對材料組分在空間上的非對稱排布而構(gòu)筑各向異性結(jié)構(gòu),。梯度結(jié)構(gòu)和梯度材料打印含有兩類,，分別是單一材料中的孔隙或交聯(lián)度梯度，以及多材料通過共混或共聚方式形成的組分梯度,。

ME打印技術(shù)包含了熔絲制造法（FFF）和直接墨水書寫（DIW）,。剪切誘導取向是ME技術(shù)中最常見的各向異性結(jié)構(gòu)調(diào)控方法。在不增加外場設備的條件下,，原料在料筒中及打印噴頭中被擠出,，大分子鏈或具有一定長徑比的顆粒受到剪切力的作用沿著擠出方向進行取向（圖2）。近年,，研究人員通過對DIW打印噴嘴的改造,，例如旋轉(zhuǎn)噴嘴和擠壓式噴嘴，可以實現(xiàn)填料顆粒的螺旋方向排列以及沿擠出線材徑向方向取向（圖3）,。除此以外,，F(xiàn)FF還包含連續(xù)纖維取向以及梯度結(jié)構(gòu)和梯度材料打印的調(diào)控方法，而DIW則還可通過外場誘導取向,，多噴頭設計的多材料打印,，以及梯度結(jié)構(gòu)和梯度材料打印進行各向異性的結(jié)構(gòu)調(diào)控。

圖2. FFF技術(shù)中剪切誘導取向方法

圖3. DIW技術(shù)中剪切誘導取向方法

VP打印技術(shù)是利用激光或紫外光對光敏液體樹脂進行逐層固化,，其較低粘度光敏液體樹脂原料的特征使得填料顆粒更容易移動取向,。此外，液體池較大的空間可以便于安裝外場施加設備（圖4）,，常見的外場包括電,、磁、聲,、線形震蕩等,。近年，多液體池以及多樹脂交替等設計的研究推動了該技術(shù)在多材料打印中的發(fā)展,，還可以通過控制紫外光的曝光條件來獲得不同交聯(lián)程度的梯度材料,。

圖4. VP技術(shù)中電場誘導取向方法

PBF打印技術(shù)是通過激光或紅外燈管對粉體聚合物材料進行逐層燒結(jié)或熔合。該技術(shù)目前在復合材料各向異性結(jié)構(gòu)上的研究主要表現(xiàn)在鋪粉的過程中,，粉體中的纖維受到刮刀或滾筒的剪切作用而沿鋪粉方向進行取向（圖5）,。此外，還可以通過選擇性粉末沉積技術(shù)進行多材料打印,，從而控制不同材料在空間上的分布,。SL打印技術(shù)將聚合物或其復合材料的薄材進行疊加粘合，然后采用激光或刀具裁剪成所需形狀,。該技術(shù)可通過控制含有定向纖維排布的薄材的堆疊方向來實現(xiàn)各向異性功能的調(diào)控,。

圖5. PBF技術(shù)中剪切誘導取向方法

至今，3D打印各向異性聚合物材料已被廣泛制成多種功能材料如力學結(jié)構(gòu)材料,、智能材料,、傳感及顯示器件,、人造植入體等，在航天航空,、機械自動化,、電子與傳感、醫(yī)藥工程,、組織工程等領域有廣泛的應用前景,。

該綜述文章以3D-Printed Anisotropic Polymer Materials for Functional Applications為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。該論文第一作者為新加坡南洋理工大學博士后研究員陳嘉瑤博士,，通訊作者為新加坡南洋理工大學的周琨教授,。周琨教授課題組依托于惠普-南洋理工大學數(shù)字制造聯(lián)合實驗室和新加坡3D打印中心，長期從事聚合物及其復合材料,、金屬3D打印的研究,，包括材料開發(fā)、工藝過程模擬,、功能及結(jié)構(gòu)設計等,，主要研究的打印技術(shù)包括SLS，MJF,，DIW，SLA,，DED,，SLM等。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102877